半导体、二级管和三极管.ppt

1、第1章 常用半导体器件,主要内容：1 半导体基础知识2 半导体二极管3 晶体三极管,导体:小于10-3cm。 物质按其导电性 绝缘体:大于108cm。 半导体: 介于两者之间。 常用的半导体有硅(Si)和锗(Ge)。,图1 Si和Ge的原子结构示意图,半导体的特性 掺杂特性：在纯净的半导体中掺入某些杂质，其电阻率大大下降而导电能力显著增强。半导体二极管、半导体三极管。 热敏特性：半导体的电阻率随着温度的上升而明显下降，其导电能力增强。热敏电阻。 光敏特性：当受到光照时，半导体的电阻率随着光照增强而下降，其导电能力增强。光电二极管、光电三极管。,1.1本征半导体 定义：纯净的具有晶体结构的半导体

2、。 晶体结构 晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。,图2 Si晶格,本征半导体的共价键结构 两个或多个原子共同使用它们的外层电子，在理情况下达到电子饱和状态，形成稳定的化学结构叫共价键。,图3 本征半导体共价键结构示意图,本征半导体中的两种载流子,价电子受热或受光照（即获得一定能量）后，可挣脱共价键的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个带正电的空穴。 在热激发下，本征半导体中存在两种能参与导电的载流子：电子和空穴。,图4 本征半导体中 自由电子和空穴,本征半导体的载流子的浓度,本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。 复合：自由电子在运动过程

3、中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失。 在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。即在一定温度下本征半导体的浓度是一定的，并且自由电子与空穴浓度相等。,1.2 杂质半导体 在本征半导体中掺入少量的杂质元素，就可得到杂质半导体。 杂质半导体：N型半导体和P型半导体。 （1）N型半导体 在本征半导体中掺入五价元素（磷、砷等）而得到杂质半导体。,掺杂后，某些位置上的硅原子被五价杂质原子（如磷原子）取代。磷原子的5个价电子中，4个价电子与邻近硅原子的价电子形成共价键，剩余价电子只要获取较小能量即可成为自由电子。同时，提供电子的磷原子因带正

4、电荷而成为正离子。,在N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，称自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。 N型半导体主要靠自由电子导电。 （2）P型半导体 在本征半导体中掺入三价元素（硼、铝等）而得到的杂质半导体。,掺杂后，某些位置上的硅原子被三价杂质原子（如硼原子）取代。硼原子有3个价电子，与邻近硅原子的价电子构成共价键时会形成空穴，导致共价键中的电子很容易运动到这里来。同时，接受一个电子的硼原子因带负电荷而成为不能移动的负离子。空穴和负离子成对产生。,在P型半导体中，空穴是多子，自由电子是少子。1.3 PN结 采用不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界

5、面处就形成PN结。 （1）PN结的形成 扩散运动：物质总是由浓度高的地方向浓度低的地方运动。,浓度差，于是P区空穴向N区扩散，N区电子向P区扩散。,在一块本征半导体的两边掺以不同的杂 质，使其一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，则在它们交界处就出现了电子和空穴的,漂移运动：内电场有利于少子运动漂移。少子的运动与多子运动方向相反,另一方面，随着扩散运动的进行，扩散到P区的自由电子与空穴复合，扩散到N区的空穴与自由电子复合，P区一边,失去空穴留下负离子，N区一边失去电子留下正离子，形成空间电荷区，产生内建电场。内建电场方向由N区指向P区，它阻止多子扩散运动，而有利于P区和N区的少子漂移运动。

6、随着扩散运动和漂移运动的进行，最后会达到一种动态平衡，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，形成PN结。,空间电荷区也称耗尽层，即在空间电荷区能参与导电的载流子已耗尽完毕；空间电荷区又称势垒区，势垒高度为U。 PN结动态平衡时,PN结形成过程总结,（2）PN结的单向导电性,PN结加正向电压 PN外加正向电压时，内建电场被削弱，势垒高度下降，空间电荷区宽度变窄，PN结电阻很小，电流较大。PN结正向导通。 所以：在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。,PN结加反向电压,PN结加反向电压时，内建电场被增强，势垒高度升高，空间电荷区宽度

7、变宽。这就使得多子扩散运动很难进行，扩散电流趋于零；而少子漂移运动处于优势，形成微小的反向的电流。,流过PN结的反向电流称为反向饱和电流(即IS)，PN结呈现为大电阻。由于IS很小,可忽略不计,所以该状态称为：PN结反向截止。 总结 PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电流， PN结导通；PN结加反向电压时，仅有很小的反向饱和电流IS，考虑到IS0，则认为PN结截止。,二极管,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,小功率二极管,大功率二极管,稳压二极管,发光二极管,将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成半导体二极管，简称二极管。由P区引出的电极为阳极，由N区引出的电极为阴极

8、。,（1）二极管常见结构,点接触型：结面积小，电容小，适用于高频工作 常见结构 面接触型：结面积大，电容大，适用于低频。 平面型：结面积可大可小。,图 二极管的符号,（2）二极管的伏安特性 二极管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。 二极管的伏安特性与PN结近似,在近似分析时，用PN结的电流方程式描述二极管的伏安特性。,UT 为二极管电压当量，常温下UT 26mv,U0为正向特性，U0V时，特性曲线右移直至UCE 1V时曲线基本重合。,二、 输出特性曲线,三极管的共射输出特性曲线表示当管子的输入电流iB为某一常数时，输出电流iC与输出电压uCE之间的关系曲线

9、，即,输出回路,基本共射放大电路,2. 输出特性,对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。,uCE较小时iC随uCE变化很大，进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线。,饱和区,放大区,截止区,晶体管的三个工作区域,晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC 。,1）截止区 发射结和集电结均反偏，对于共射电路 iB=0。三极管失去放大作用且呈高阻状态，e、b、c极之间近似看作开路。相当于一个断开的开关。,2）放大区 发射极正偏，集电极反偏。对于共射电路IC=IB，即IC受控于IB，三极管是一种电流控制器件。在

10、模拟电路，绝大多数情况下应保证三极管工作在放大状态。,放大区： 硅管：|UBE|=0.7V锗管：|UBE|=0.2V,3）饱和区 发射极与集电结均正向偏置。对于共射电路此时iC明显随uCE增大而增大.,（4）晶体管的主要参数 一、直流参数 共射直流电流放大系数,共基直流电流放大系数 极间反向电流 ICBO是发射极开路时，集电极与基极的反向饱和电流。ICEO是基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流。两值都受温度的影响，随温度的升高而增大，一般希望他们越小越好。,二、交流参数 共射交流电流放大系数 共基交流电流放大系数 特征频率 使共射电流放大系数的数值下降到1的信号频率。,三、极限参数,最大集电

11、极耗散功率 对于确定的晶体管PCM是一个常数， PCM=iCuCE。,最大集电极电流ICM 使值明显减小到正常值的2/3时对应的iC即为ICM。 极间反向击穿电压 晶体管某一电极开路时，另外两个电极间所允许加的最高反向电压称为极间反向击穿电压。分别为U(BR)CBO、 U(BR)CEO和U(BR)BEO。为可靠工作，使用中取Ucc(1/2-2/3) U(BR)CEO,五、主要参数,直流参数： 、 、ICBO、 ICEO,c-e间击穿电压,最大集电极电流,最大集电极耗散功率，PCMiCuCE,安全工作区,交流参数：、fT（使1的信号频率）,极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO,（5）温度对

12、晶体管特性及参数的影响,一、温度对ICBO的影响 温度升高，ICBO将增大。二、温度对输入特性曲 线的影响。,三、温度对输出特性的影响,当温度从 升高到 时，集电结电流的变化量 ,表明温度升高时增大，集电极电流增大。,三极管工作状态的判断,例1：测量某NPN型BJT各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？（1） VC 6V VB 0.7V VE 0V（2） VC 6V VB 4V VE 3.6V（3） VC 3.6V VB 4V VE 3.4V,解：,原则：,对NPN管而言，放大时VC VB VE 对PNP管而言，放大时VC VB VE,（1）放大区（2）截止区（3）饱和区,例3：测

13、得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位U1、U2、U3分别为： （1）U1=3.5V、U2=2.8V、U3=12V （2）U1=3V、U2=2.8V、U3=12V （3）U1=6V、U2=11.3V、U3=12V （4）U1=6V、U2=11.8V、U3=12V判断它们是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？并确定e、b、c。,（1）U1 b、U2 e、U3 c NPN 硅（2）U1 b、U2 e、U3 c NPN 锗（3）U1 c、U2 b、U3 e PNP 硅（4）U1 c、U2 b、U3 e PNP 锗,原则：先求UBE，若等于0.6-0.7V，为硅管；若等于0.2-0.3V，为锗管。发射结正偏，集电结反偏。 NPN管UBE0， UBC0，即UC UB UE 。 PNP管UBE0， UBC0，即UC UB UE 。,解：,71,（6）光电三极管 原理：用光照的强度来控制集电极电流的大小，其功能可等效为一只光电二极管与一只晶体管相连。,